中原工学院CEJ:高自旋电子助力MOFs摩擦纳米发电机

开发新型稳定的金属有机配位聚合物摩擦电材料对微纳电源在自供电系统中的应用具有重要意义。近日，中原工学院邵志超博士和米立伟教授团队利用离子配体制备了具有高自旋电子的螺旋金属有机链，并通过调整金属类型增加金属中心的旋子数量，可以有效地改善摩擦电学性能。研究成果以“A high-spintronic helix metal-organic chain as a high-output triboelectric nanogenerator material for self-powered anticorrosion”为题在《Chemical Engineering Journal》上在线发表。

【图文导读】

图1 螺旋金属有机链晶体结构。

摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种可持续的微纳能源，可应用于自供电传感器、可穿戴设备、电化学阴极保护、电池和超级电容器等领域，有效缓解日益严重的能源危机。在TENG研究中，选择合适的材料是从根本上提高TENG性能的最有效途径。与传统的柔性高分子材料相比，金属有机配位聚合物精确地将原子整合成具有骨架柔韧性和多功能特性的周期性结构。多层空间结构能够提供高速载流子离子(电子、空穴、离子)传输路径。这样可以避免内阻大、内阻输出电流小的缺点，显示出优异的输出性能。这些优点使配位聚合物成为一种有前途的TENG候选材料。

图2 不同自旋量子数的ZUT-9的摩擦发电行为。

根据麦克斯韦理论，输出功率与摩擦电荷密度的平方成正比，接触产生的摩擦电子与静电感应耦合产生的摩擦电子产生的位移电流决定了TENG的输出性能。增加摩擦表面电荷密度的能力对于提高相应的性能很重要，而合理设计构件是提高摩擦电材料电荷密度的最有效方法。近年来的研究表明，削弱金属节点的离子耦合，增加有机桥接配体的静态感应效应是进一步提高其摩擦电性能和电流输出性能的有效策略。如果在摩擦电材料设计中引入离子配体，不仅可以有效提高电荷分离程度，而且在配位键形成过程中充分保留质子和电子载流子，为摩擦电子的产生和传输提供便利条件。

图3 ZUT-9的光学和磁学表征。

本工作合成了具有高自旋电子的螺旋金属有机链材料。通过调整金属类型，增加金属中心的自旋量子数，从而引起二次建筑单元(SBUs)电子环境的几何变化，有效地调节摩擦电行为。利用高自旋电子带来的磁化电流与摩擦电子相结合，实现了摩擦纳米发电机输出性能的提升。结合密度泛函理论(DFT)计算的磁性行为结果表明，增加自旋子数量可以显著减小带隙，从而影响摩擦电输出信号。

图4 ZUT-9制备的摩擦纳米发电机用于自供电防腐。

利用ZUT-9作为正极材料制备摩擦纳米发电机，在5Hz频率下，电荷密度达到105.66 μC m^-2。输出电流能将电容在200 s充电到6V，也可以轻松点亮大量的商用LED灯。将TENG@ZUT-9(Co)产生的电子注入到被保护碳钢表面以限制腐蚀。附着TENG的碳钢表面在8小时后仍保持金属光泽，而没有TENG的金属在浸泡实验4小时后，表面形貌上覆盖着明显的红褐色铁锈，且随着浸泡时间的增加，金属腐蚀更加严重。结果表明，TENG@ZUT-9(Co)产生的电子提供了有效的阴极保护。

文章的第一作者是中原工学院青年教师邵志超博士，通讯作者为郑州大学侯红卫教授和中原工学院米立伟教授，中原工学院为第一通讯单位。

论文信息：

Zhichao Shao, Junshuai Chen, Kexin Gao, Qiong Xie, Xiaojing Xue, Xue Li, Hongwei Hou, Liwei Mi, A high-spintronic helix metal-organic chain as a high-output triboelectric nanogenerator material for self-powered anticorrosion, Chemical Engineering Journal 455 (2023) 140865

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722063458